兰渝线木寨岭隧道岭脊地段轨道结构型式调整研究

陈强

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州450001)

0 引言

无砟轨道是铁路建设中轨道结构型式的发展趋势，我国正在大力兴建以无砟轨道为主的各类铁路，但由于长大隧道地质条件的复杂性，近年来部分已建隧道出现了无砟道床病害。无砟道床病害产生的根本原因是隧道基底结构出现问题，主要是隧道基底出现上鼓开裂病害。根据近年来隧道基底上鼓开裂病害产生的原因分析，主要有以下三类：承压水的作用、围岩的膨胀作用和高地应力作用，另外还有部分原因至今尚未查明，也说明隧道基底病害产生原因是复杂的。

新建铁路兰州至重庆线兰州至广元段（简称“兰渝线”），隧道工程集中，长大隧道比例较高，其中木寨岭隧道全长19.1km，为双洞单线隧道，地理位置特殊，地形、地质条件异常复杂，特别是隧道穿越岭脊段围岩挤压破碎、高地应力条件下大变形更为严重。运营期间无砟轨道产生病害整治将非常困难，同时进行病害整治将严重影响线路运输和运营安全。对木寨岭岭脊地段岩性差、地应力高、软岩大变形地段调整为铺设有砟轨道，确保兰渝铁路运营安全、畅通是非常必要和科学合理的。

1 隧道内无砟轨道结构

木寨岭隧道设计采用CRTSⅠ型无砟轨道结构（见图1），由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、道床板等部分组成，轨道结构高度515mm，一次铺设跨区间无缝线路；道床采用C40 钢筋混凝土现场连续浇筑，扣件采用WJ-8A 型扣件，轨枕采用SK-2 型双块式。

图1 隧道内CRTS I 型双块式无砟轨道横断面图

2 轨道结构型式调整必要性分析

木寨岭隧道岭脊段轨道结构型式调整的必要性，主要体现在工程地质和无砟轨道特性等方面。

2.1 工程地质问题

兰渝线木寨岭隧道设计为极高风险隧道，地质情况极其复杂，二叠系板岩岩性软弱、围岩强度低而原始地应力较高，尤其是岭脊地段极高地应力造成初期支护反复破坏、出现较长段落衬砌开裂及仰拱上鼓，实属国内罕见，使施工安全和结构运营安全面临极大的挑战。

2.1.1 地应力状况

勘察设计期间在两个深孔钻探中进行了地应力测量，施工期间又在洞内两个钻孔中进行了地应力测量，测得地应力最大水平主应力可达27.16MPa；施工单位委托中国地质科学院地质力学研究所在隧道尚未贯通里程段的北段和南段分别进行了3 组钻孔水压致裂地应力测量，测得北段最大水平主应力为38.38MPa，南段最大水平主应力为35.68MPa。木寨岭隧道区域地应力场是历次构造运动应力场的叠加，同时受地震等其他因素的影响，导致地应力场的分布复杂、多变，处于应力大小及方向变化不规律、薄层挤压破碎状态这一复杂的地应力环境中。

2.1.2 区域地质构造复杂

木寨岭隧道位于秦岭—昆仑纬向构造体系，后期被祁吕贺兰山字型构造体系改造、复合、归并，并在茶固滩一带又被茶固滩帚状构造体系改造，形成了形态各异极其复杂褶曲与断层束构造。

2.1.3 隧道地质岩性及结构差

木寨岭隧道地层岩性以二叠系板岩夹炭质板岩及其压碎岩为主，变余泥质、钙质结构，薄层板状构造，多属于断层破碎带或影响带，受构造影响较重—很严重，节理裂隙发育—很快发育，岩体破碎—极破碎，产状变化多端，揉皱小构造及片理化现象发育，岩体呈层片状或碎石角砾状，夹杂较多沥青质炭质板岩及灰白色碎粉状石英条带，岩石及破碎岩体强度软弱、承载能力低。

2.1.4 区域内地震活动强烈

木寨岭隧道位于我国南北强震带，是地震多发、频发、活动最强烈区域之一。历史地震活动十分频繁，其活动的主要特征是集中性很高。有地震记载以来，本带共发生M≥4.7 级地震197 次，其中2011年11月2日岷县禾驮乡4.5 级和2013年7月22日岷县6.6级震中均位于木寨岭隧道出口梅川镇，对隧道影响较大。

2.1.5 变形及基础沉降监测

通过对木寨岭隧道岭脊地段变形监测数据统计分析，发现岭脊段变形具有“变形总量大，前期变形速率高，变形持续时间长”的突出特点。

2.2 无砟轨道基础变形的适应性

2.2.1 有砟轨道与无砟轨道技术特点对比

（1）有砟轨道是最常使用的轨道结构型式，技术成熟，应用范围广泛，具有弹性好、成本低、整治便捷、吸噪性能好等优点。其缺点在于：

一是有砟轨道不均匀下沉，易产生严重的轨道激振，使得轨道使用寿命明显缩短；

二是有砟轨道稳定性较差，轨道的平顺性不易保持。对于客货共线铁路，在曲线地段欠超高和过超高均较大，轨道横向稳定性尤其不易保持；

三是道床横向阻力较小，不利于无缝线路的稳定性；

四是道砟粉化严重，当行车速度较高时，容易产生飞砟现象，使旅客乘坐舒适度也降低；

五是轨道结构高度较高，自重较大，线下结构需要加强；

六是运营过程中养护维修工作量较大。

（2）无砟轨道整体性强，轨道几何形位能够持久保持，纵、横向稳定性较好，轨道结构高度低，自重较小，养护维修量较低。其缺点主要有：

一是初期投入大，造价较高；

二是轨道整体刚度偏高，轨道弹性差，空气噪声辐射较大；

三是建成后轨道几何形位、超高等均难以调整；

四是对线下基础变形适应性差，线下基础变形后整修困难，修复时间较长，代价较高，因而对线下基础的稳定性要求较高。

2.2.2 无砟轨道对基底变形的适应性差

现场施工中无砟轨道采用WJ-8 型扣件，有螺旋道钉、平垫圈、弹条、绝缘块、轨距挡板、轨下垫板、铁垫板、铁垫板下弹性垫板和预埋套管组成，此外为了钢轨高低位置调整的需要，还包括轨下微调垫板和铁垫板下调高垫板。另外，单股钢轨左右位置调整量为-5mm～+5mm，轨距调整量为-10mm～+10mm，钢轨高低位置调整量为-4mm～+26mm。

因此，当隧道基底变形引起的无砟轨道变形量不超过扣件调整量时，可通过调整扣件进行轨距、高低的调整。但木寨岭隧道岭脊段基底可能出现的变形量大大超过扣件可调整的范围，通过扣件调整无法适应线下基底的变形。

2.2.3 无砟轨道可维修性差

无砟轨道几何形位要求较高，根据《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》的规定，无砟轨道铺设精度如表1 所示。

表1 线路无砟轨道平顺度铺设精度

木寨岭隧道采用的CRTSⅠ型双块式无砟轨道为连续浇筑的钢筋混凝土整体式道床板，如果运营过程中基底发生较大的变形，就会导致道床板与垫层发生离缝、道床板开裂甚至断裂、双块式轨枕与道床板脱离松动等病害。道床板一旦发生病害，位于其上的轨道必将受其牵连，几何形位将不同程度的受到影响，危及日常铁路行车安全。

木寨岭隧道岭脊段基底情况复杂，铁路运营期间如发生较大变形，势必将导致无砟轨道产生各种病害。

2.3 综合分析

综上所述，木寨岭隧道地质条件特殊，围岩岩性及结构差，地应力极高且复杂，越岭大埋深段出现了长段落的二衬开裂、仰拱上鼓等病害。无砟轨道建成后，一旦出现较大的线下基础变形，无法通过扣件调整，只能进行拆除重建，维修周期长，代价巨大。结合变形和病害分布情况以及轨道结构型式的优缺点，将岭脊地段轨道结构型式进行调整，由原设计的无砟轨道改为传统的有砟轨道，以确保运营安全和畅通，是非常有必要的。

3 轨道结构型式调整的可行性方案

隧道地段无砟轨道轨顶至回填层表面高度为515mm，有砟轨道轨顶至回填层表面高度为766mm，若调整轨道结构型式，必须满足空间需求，一种方案是抬高轨顶标高即调整设计坡度，另一种方案是轨顶标高不变即设计坡度不调整而对轨下结构调整。

3.1 抬高轨顶标高

对原设计坡度进行调整，将原设计轨面标高调高251mm，即可满足铺设有砟轨道条件。线路标高抬高后，可避免已施做垫层废弃，铁路双层集装箱运输隧道建筑限界（SJX-SD）仍在隧道建筑限界范围内，但轨上有效面积仅为52.1m，不满足初步设计批复意见单线隧道有效净空面积按53m设计的要求，同时存在轨面标高超出两侧水沟盖板顶面，道砟可能侵占救援通道问题，接触网需进行专项设计等。

3.2 轨下结构调整

设计坡度不变而通过调整轨下结构也可满足铺设有砟轨道条件。铺设有砟和无砟两种轨道结构型式的隧道，在轨上隧道结构限界完全相同，但轨下结构相差较大，无砟轨道仰拱矢跨比较有砟轨道小，造成水沟、仰拱回填等均与有砟轨道差异性较大。

通过对比上述两种方案（见表2），取消无砟轨道基础垫层，利用原设计的30cm 无砟轨道基础垫层空间，即可满足有砟轨道高度要求。不改变设计坡度，线路标高不变，充分利用无砟轨道基础垫层空间，对岭脊段的轨道结构型式进行调整是可行的。

表2 无砟轨道隧道与有砟轨道隧道轨下结构对比表

4 岭脊段轨道结构型式调整方案

根据木寨岭隧道地应力和构造分布情况、岩性差别、基础沉降监测情况，结合变形特点及病害分布情况，将木寨岭隧道地应力高、岩性差、构造复杂的DK177+200～DK182+580 调整为有砟轨道，其余段落仍按无砟轨道施做。具体方案为：

一是线路不抬坡，直接将DK177+200～DK182+580 段仰拱填充顶混凝土凿除25cm。

二是正线有砟轨道与区间隧道内有砟轨道结构基本一致。为减少运营过程中工务部门在长大隧道内对有砟道床进行维修养护的工作量，延缓道砟粉化，线路采用一级道砟，并进行水洗。轨枕采用2.6m长Ⅲ型有挡肩混凝土轨枕，每公里铺设1667 根。

三是有砟轨道与无砟轨道过渡段均在隧道混凝土回填层上过渡。过渡段线路基本轨之间设置两根60kg/m、25m 长辅助轨，其中无砟轨道区段5m，有砟轨道区段20m。过渡段基本轨采用WJ-7A 型扣件，辅助轨采用扣板式扣件。在隧道进出口无砟轨道一侧设置φ25 锚固钢筋，共设置10 排，每排4 根。

5 轨道型式变化存在的问题

无砟轨道按设计使用寿命期内一般仅需进行日常的维修，而有砟轨道在运营过程中需要周期性进行道砟捣固、清筛、起拨道、补砟、动力稳定等线路整修、维修作业。有砟轨道大修周期一般为通过总重7 亿吨，中修周期以累计通过总重3～4 亿吨。兰渝线预测 运 量2020年 货 运5400 万 吨，客 车34 对，2030年 货 运7000 万吨，客车47 对，总列车对数分别达到94 对、122对，行车密度较大。按通过总重计算，约每5～10年要进行一次有砟道床清筛，作业量较大，作业时间长。木寨岭隧道内有砟轨道采用人工养护作业无法满足要求，采用机械作业内燃机排放的烟尘和作业产生的粉尘对工作人员健康影响较大，作业条件恶劣。

6 结语

兰渝线木寨岭隧道岭脊地段工程地质条件极为复杂，施工过程中高地应力软岩大变形现象极为突出，同时考虑到隧道变形持续时间长，流变变形可持续至运营后，并易导致运营期产生隧道隧底病害问题，因此隧道岭脊段无砟轨道改有砟轨道是必要的。轨道型式调整采用不调整设计坡度，对隧道基础垫层进行调整以满足有砟轨道铺设条件的方案。调整段落确定时主要以地质条件为主，结合初支变形情况和二衬仰拱开裂上鼓等病害情况及方便养护维修、减少轨道型式频繁变化等为综合考虑。